杜凱軍， 韓 龍， 王斌儒， 吳志豪

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

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低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)研究

杜凱軍， 韓 龍， 王斌儒， 吳志豪

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

通過研究國(guó)內(nèi)外低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)集成技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方式，結(jié)合國(guó)內(nèi)城軌車輛制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，提出了一套低地板有軌車制動(dòng)系統(tǒng)方案。介紹了低地板制動(dòng)系統(tǒng)的性能要求、功能組成，分析了制動(dòng)系統(tǒng)工作原理，并對(duì)制動(dòng)功能控制邏輯進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

有軌電車； 低地板； 制動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)今社會(huì)城市交通越來(lái)越擁擠，低地板有軌電車可以大大緩解交通壓力，而且低地板有軌電車具有建設(shè)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到各個(gè)城市的歡迎。

絕大部分低地板輕軌電車的軌道直接鋪設(shè)在城市既有街道上，與其他車輛共享路權(quán)。由于非獨(dú)有路權(quán)且沿線站點(diǎn)較多，城市輕軌電車的制動(dòng)系統(tǒng)具有操作頻繁、制動(dòng)距離短、制動(dòng)力需求大等特點(diǎn)。因此對(duì)制動(dòng)減速度和制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性要求相對(duì)較高。

此外由于低地板車輛的車下空間小，而普通空氣制動(dòng)系統(tǒng)體積較大，因此不便于在低地板車輛上安裝空氣制動(dòng)系統(tǒng)。考慮到狹小的安裝空間與復(fù)雜的行駛路況，一般采用電動(dòng)力制動(dòng)、液壓制動(dòng)和磁軌制動(dòng)這3種制動(dòng)方式組成低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)。

1 制動(dòng)系統(tǒng)性能要求

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分別提出了平直軌道制動(dòng)性能要求和坡度軌道制動(dòng)性能要求。

1.1 平直軌道制動(dòng)性能要求

AW0為空車載荷；AW1為滿座載荷；AW2為額定載荷；AW3為超員載荷。表1為平直軌道制動(dòng)性能要求，前提條件如下：①軌道坡度為0；②直線軌道；③負(fù)載條件AW3；④車輪和鋼軌摩擦系數(shù)最大0.33。

1.2 坡度軌道制動(dòng)性能要求

表2為坡度軌道制動(dòng)性能要求，前提條件如下：①軌道坡度為60‰；②直線軌道；③車輪和鋼軌摩擦系數(shù)最大0.33。

2 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案采用國(guó)際上比較先進(jìn)的5編組3轉(zhuǎn)向架浮車型設(shè)計(jì)，為100%低地板車輛。制動(dòng)系統(tǒng)以電動(dòng)力制動(dòng)為主，液壓制動(dòng)為輔，磁軌制動(dòng)僅在緊急情況啟用。

表1 平直軌道制動(dòng)性能要求

注：相關(guān)技術(shù)參數(shù)參照①《BS EN 13452-1:2003》鐵路應(yīng)用-制動(dòng)-大眾運(yùn)輸制動(dòng)系統(tǒng)；②《CJ/T 417-2012》低地板輕軌電車車輛通用技術(shù)條件。

表2 60‰坡度軌道制動(dòng)性能要求

2.1 制動(dòng)系統(tǒng)功能

低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)包括以下功能：

①常用制動(dòng)功能：常用制動(dòng)是有軌電車正常運(yùn)行時(shí)采用的制動(dòng)功能。它使有軌電車降速停車或在斜坡上保持速度恒定。

②緊急制動(dòng)功能：緊急制動(dòng)功能是在緊急情況下采用的制動(dòng)功能，使車輛以最大減速能力停車，從而最大限度的保證車內(nèi)人員和車外人員的安全。

③安全制動(dòng)功能：安全制動(dòng)是制動(dòng)系統(tǒng)最后的安全保證。在車輛控制系統(tǒng)或牽引系統(tǒng)失控、失效的情況下,或出現(xiàn)其他重大故障時(shí)，需啟動(dòng)安全制動(dòng)，使有軌電車停車。

④保持制動(dòng)功能：保持制動(dòng)是僅次于常用制動(dòng)的最常用的制動(dòng)功能，其作用是使有軌電車在車站或停車信號(hào)處保持靜止，防止溜車。

⑤停放制動(dòng)功能：車輛停車斷電時(shí)自動(dòng)施加停放制動(dòng)，不需要牽引控制單元參與。停放制動(dòng)獨(dú)立施加一個(gè)一直作用的恒定制動(dòng)力。車輛得電后可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為保持制動(dòng)狀態(tài)，停放制動(dòng)可進(jìn)行手動(dòng)緩解。

⑥自動(dòng)負(fù)載檢測(cè)：每個(gè)轉(zhuǎn)向架都有負(fù)載檢測(cè)裝置，負(fù)載信息將送到制動(dòng)控制單元用于自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力。制動(dòng)控制單元具有分配整車制動(dòng)力的功能，以便減少制動(dòng)沖擊。

⑦車輪滑動(dòng)保護(hù)和撒沙裝置：為避免輪軌擦傷，確保有軌電車制動(dòng)功能，車輛制動(dòng)系統(tǒng)具備車輪滑動(dòng)保護(hù)功能，在車輛兩端最外側(cè)車輪附近安裝有撒沙裝置。在檢測(cè)到車輪發(fā)生滑行時(shí)，車輛控制系統(tǒng)自動(dòng)控制撒沙裝置進(jìn)行撒沙，當(dāng)有軌電車速度低于3 km/h時(shí)，撒沙裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.2 設(shè)備選型及布置

圖1是有軌電車配置圖。低地板有軌電車每輛車由5個(gè)車體3個(gè)轉(zhuǎn)向架組成。兩端布置的是動(dòng)車轉(zhuǎn)向架，中間布置的是拖車轉(zhuǎn)向架。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)系統(tǒng)包含3種制動(dòng)類型：電動(dòng)力制動(dòng)、液壓制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、拖車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)系統(tǒng)包含兩種制動(dòng)類型：液壓制動(dòng)，磁軌制動(dòng)[1]。

每個(gè)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架都有2個(gè)牽引單元，每個(gè)牽引單元包括1個(gè)牽引電機(jī)2個(gè)齒輪箱，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)車輪。每1個(gè)牽引單元包含1個(gè)安裝在驅(qū)動(dòng)軸上的制動(dòng)盤和1套夾鉗。每個(gè)拖車轉(zhuǎn)向架包含2個(gè)制動(dòng)盤和2個(gè)主動(dòng)夾鉗。表3中列出了各車制動(dòng)設(shè)備分布及數(shù)量。

圖1 車輛配置

名稱動(dòng)車M1拖車T動(dòng)車M2數(shù)量制動(dòng)控制單元BCU0101制動(dòng)控制模塊HVIsa1012動(dòng)車液壓?jiǎn)卧狧PU1012拖車液壓?jiǎn)卧狧PU0101輔助緩解裝置AHPU1012蓄能器ACC0101制動(dòng)盤460×50(拖車)0404主動(dòng)式液壓夾鉗72kN(拖車)0404電機(jī)軸制動(dòng)盤370×34(動(dòng)車)2024被動(dòng)式液壓夾鉗20kN(動(dòng)車)2024載荷傳感器1113速度傳感器0404磁軌制動(dòng)器66kN2226

2.3 工作原理

如圖2所示，制動(dòng)系統(tǒng)有兩種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被動(dòng)夾鉗用在動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上，主動(dòng)夾鉗用在拖車轉(zhuǎn)向架上。當(dāng)沒有壓力供給時(shí)，被動(dòng)夾鉗執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加最大制動(dòng)力，主動(dòng)夾鉗執(zhí)行機(jī)構(gòu)則沒有制動(dòng)力。液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)控制模塊、制動(dòng)控制單元、軟啟動(dòng)模塊、液壓控制單元、輔助緩解單元、蓄能器、制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)盤等組成[2]。制動(dòng)控制單元BCU獨(dú)立控制一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的制動(dòng)力和液壓動(dòng)力單元。軟啟動(dòng)模塊用來(lái)控制液壓動(dòng)力單元的啟動(dòng)和停止。液壓控制單元的作用是根據(jù)接收到的列車制動(dòng)指令通過比例閥來(lái)控制輸出的液體壓力，從而實(shí)現(xiàn)控制液壓夾鉗的夾緊力。液壓控制單元中的壓力轉(zhuǎn)換開關(guān)用來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)施加和緩解的控制。蓄能器可以防止啟用防滑功能時(shí)系統(tǒng)壓力產(chǎn)生較大變化[1]。緊急制動(dòng)和安全制動(dòng)時(shí)需求的制動(dòng)力較大，會(huì)自動(dòng)啟用磁軌制動(dòng)。車輛停車后，磁軌制動(dòng)斷電解除。

圖2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2.4 控制邏輯

(1) 觸發(fā)源及過程解除(見表4)

表4 制動(dòng)功能觸發(fā)及解除

(2) 各制動(dòng)工況下子系統(tǒng)參與邏輯

動(dòng)車電動(dòng)力制動(dòng)可以滿足絕大多數(shù)情況下有軌電車制動(dòng)力要求，所以在常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)時(shí)啟用，因?yàn)樵谒俣鹊蜁r(shí)制動(dòng)力較小，所以低速時(shí)切除。保持制動(dòng)、停放制動(dòng)時(shí)速度為零，不啟用動(dòng)車電動(dòng)力制動(dòng)。安全制動(dòng)時(shí)包括電纜斷開、電力系統(tǒng)等情況，電制動(dòng)失效，所以不啟用動(dòng)車電動(dòng)力制動(dòng)。

動(dòng)車液壓制動(dòng)，制動(dòng)盤固定在電機(jī)軸上，因電機(jī)軸較細(xì)且轉(zhuǎn)速較高所以不宜上較大制動(dòng)力及頻繁使用，因此在常用制動(dòng)時(shí)不啟用。

拖車液壓制動(dòng)，采用的是主動(dòng)夾鉗，當(dāng)停車時(shí)長(zhǎng)時(shí)間使用可能會(huì)導(dǎo)致壓力下降影響制動(dòng)效果，所以停放制動(dòng)時(shí)不啟用。

磁軌制動(dòng)通過與鋼軌摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，容易損傷鋼軌。目前應(yīng)用比較廣泛是電磁型磁軌制動(dòng)器，其產(chǎn)生制動(dòng)力的過程一直需要消耗電能，且制動(dòng)力是一個(gè)定值不可調(diào)節(jié)。因此只在緊急制動(dòng)、安全制動(dòng)時(shí)啟用。

各制動(dòng)工況子系統(tǒng)參與邏輯見表5。

表5 各制動(dòng)工況子系統(tǒng)參與邏輯[1]

常用制動(dòng)過程中，動(dòng)車電動(dòng)力制動(dòng)和拖車液壓制動(dòng)啟用防滑功能；緊急制動(dòng)過程中，動(dòng)車電動(dòng)力制動(dòng)和拖車液壓制動(dòng)啟用防滑功能；安全制動(dòng)過程中，拖車液壓制動(dòng)啟用防滑功能。

動(dòng)車液壓制動(dòng)不設(shè)置防滑控制功能。

常用制動(dòng)過程中，當(dāng)發(fā)生滑行時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行撒沙動(dòng)作；緊急制動(dòng)和安全制動(dòng)過程中，會(huì)一直進(jìn)行撒沙動(dòng)作；保持制動(dòng)和停放制動(dòng)過程中，撒沙功能不啟用。

2.5 制動(dòng)計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算，常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、安全制動(dòng)工況下減速度響應(yīng)時(shí)間制動(dòng)距離均能滿足低地板有軌電車制動(dòng)性能要求。具體計(jì)算數(shù)值見表6。

表6 制動(dòng)計(jì)算

3 結(jié)束語(yǔ)

低地板有軌電車非常便捷，可大大緩解城市交通壓力，在我國(guó)有非常大的發(fā)展空間，而低地板有軌電車的制動(dòng)系統(tǒng)又是關(guān)系到行車安全、乘客安全的重中之重。對(duì)于國(guó)內(nèi)低地板制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有一定的參考借鑒意義。

[1] 韓 龍,虞大聯(lián),劉韶慶.低地板輕軌電車制動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2014，(5)：63-65.

[2] 楊永勤,許紅梅,張瑞玲,等.自主研發(fā)的100%低地板現(xiàn)代有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)[J].城市軌道交通研究，2014，17(12)：108-111.

[3] BS EN 13452-1:2003 鐵路應(yīng)用-制動(dòng)-大眾運(yùn)輸制動(dòng)系統(tǒng)[S].

[4] CJ/T 417-2012 低地板輕軌電車車輛通用技術(shù)條件[S].

[5] BOStrab-2008 德國(guó)有軌電車建設(shè)和運(yùn)營(yíng)條例[S].

Design and Research of General Technology Scheme for Low-floor Tram Brake System

DUKaijun,HANLong,WANGBinru,WUZhihao

(CRRC Qingdao Sifang CO., Ltd, Qingdao 266111 Shandong, China)

By studying the low-floor tram brake system integration technology，combined with the research and operating experience of the urban rail vehicle brake system in China, a set of scheme for low-floor tram brake system was proposed. The requirements of performance and the functional components were introduced. The working principle of the brake system was analyzed. The control logic of the brake function was designed.

tram; low-floor; brake system

??)男，工程師(

2016-03-11)

1008-7842 (2016) 05-0126-04

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.29